无机肥与有机肥配施对甘薯生理特性及产量构成因素的影响

李敏 刘亚军 王文静 胡启国 储凤丽 刘广卿 孙喜云 丁芳

摘要：研究无机肥与有机肥配施对甘薯生理特性及产量构成因素的影响，以期为甘薯连作田有机肥的施入提供理论依据。2020—2022年，通过田间定位试验，设置不施肥（CK）、化肥单施（SF）、缓控释肥单施（SSF）、生物有机肥单施（SBF）、1/2化肥配施1/2生物有机肥（FBF）、1/2缓控释肥配施1/2生物有机肥（SFBF）6个处理，研究不同施肥处理对甘薯叶片SPAD值、荧光参数、光合特性、抗氧化系统以及产量构成因素的影响。结果表明，与CK处理相比，不同施肥处理能够提高甘薯叶片SPAD值、荧光参数以及光合作用能力；提高CAT、POD、SOD活性，降低MDA含量；提高鲜薯产量、商品率以及干物率，降低T/R值。其中，SF处理的SPAD值、单株蔓茎生物量以及单株薯块质量在生长前期均最高，但随着栽插时间延长，无机肥与有机肥配施处理SPAD值、单株蔓茎生物量以及单株薯块质量明显高于CK处理或单一施肥处理。与CK处理相比，FBF处理F_o、F_m、q_P、ETR值分別显著提高24.80%、37.66%、23.21%、7.86%；SFBF处理G_s值以及FBF处理P_n、T_r值分别显著提高39.29%和9.41%、14.09%；FBF处理CAT、POD活性以及SFBF处理SOD活性分别显著提高40.57%、23.71%和19.98%，SSF、SBF、FBF、SFBF处理MDA含量分别显著降低7.04%、4.93%、9.86%、11.27%。FBF处理鲜薯产量较其他处理提高3.26%～34.59%，FBF处理干物率较CK、SF、SBF处理分别显著提高7.30%、5.35%、6.13%，SFBF处理商品薯率较CK、SBF处理分别显著提高13.81%、8.23%，FBF、SFBF处理T/R值均最低，较CK、SF、SBF处理分别显著降低14.29%、7.69%、7.69%。相关性分析表明，鲜薯产量与植株叶片光合特性以及抗氧化系统指标具有显著的相关性。综合可知，无机肥与有机肥配施能够提升植株光合作用以及抗逆境能力，提高鲜薯产量，降低T/R值。其中，化肥减量配施生物有机肥处理表现较优。

关键词：施肥；甘薯；叶绿素；光合特性；抗氧化系统；产量

中图分类号：S531.06；S143.6文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）16-0091-07

收稿日期：2023-03-23

基金项目：国家甘薯产业技术体系建设专项（编号：CARS-10）。

作者简介：李 敏（1984—），女，河南商丘人，硕士，副研究员，主要从事甘薯新品种选育及栽培工作。E-mail：limin039671@163.com。

通信作者：胡启国，硕士，副研究员，主要从事甘薯新品种选育及利用工作。E-mail：huqiguo1234@126.com。

甘薯属于旋花科一年生或多年生草本植物，因营养丰富、产量高、易栽活等特点被广泛接受，在我国具有悠久的栽培史^［1-2］。近年来，随着新型能源的开发利用，甘薯被选作为重要能源作物，且随着甘薯产业的发展与调整，优良甘薯品种受到广泛喜爱，人民对甘薯产量的需求逐年增加^［3-4］。而受耕地面积限制，甘薯种植面积波动幅度并不大。常年连作种植，致使土壤肥力降低，微生物菌群失衡，甘薯产量及品质均大幅度降低^［5-6］。目前通过其他作物已有的种植制度改变来解决连作障碍问题并不适宜当前的甘薯产业发展，广大种植户大多选择通过追加施肥来抵消连作障碍带来的产量、品质降低等负面影响^［7］。但长期大量施用化肥，不仅会使土壤养分失衡、生物学活性降低，还会改变土壤物理结构，影响作物对土壤养分的吸收利用，从而抑制作物生长发育^［8-10］。因此，改变施肥模式可能是解决目前甘薯生产困境的有效途径。

光合作用是作物生长发育以及积累生物量的重要过程，而植株叶片叶绿素含量、荧光参数以及光合特性是衡量作物植株光合能力强弱的重要指标^［11-12］。当植株受到逆境胁迫时，体内的抗氧化系统能够有效清除体内活性氧，增加逆境抵抗力^［13］。因此，探究植株叶片光合特性以及抗氧化系统能力对了解作物生长发育具有一定的积极意义。有研究表明，无机肥与有机肥配施能够提高植株叶片叶绿素含量，延缓叶片衰老，以及延长植株叶片持绿时间，改善叶片荧光参数，提升光合作用能力以及抗逆境能力，进而提高作物产量及品质^［14-16］。

生物有机肥含有丰富的营养物质和微生物菌群，施入土壤中能够提高微生物代谢活性，促进难溶养分分解，提高土壤养分供应能力和作物吸收利用能力，进而影响植株叶片光合特性和抗氧化系统^［17-18］。而缓控释肥能够根据作物需肥特性调整肥效释放速率，提高肥料利用率^［19］。且生物有机肥与缓控释肥的肥力缓慢释放特点能够满足甘薯后期对养分的吸收与利用，减缓植株叶片衰老，维持足够的绿色叶面积和长时间叶片持绿，能够调整叶绿素荧光参数，提升叶片光合能力，增加甘薯应对逆境胁迫能力^［20-21］。因此，探究无机肥与有机肥配施条件下甘薯叶片荧光参数、光合特性以及抗氧化系统的变化特点，对了解甘薯生长发育，提高甘薯产能具有重要意义。目前，有机肥与无机肥配施对甘薯的研究主要集中在土壤肥力及微生物菌群结构方面，关于甘薯光合特性和抗氧化系统的研究较少^［22-24］。其中，魏猛等主要研究了化肥与有机肥配施对甘薯叶片叶绿素含量、光合特性以及农艺性状的研究，对叶绿素荧光参数和抗氧化系统的变化并未涉及到，且不同地区气候条件、土壤类型以及作物茬口均有所不同^［25］。因此，作者期望通过化肥、缓控释肥与生物有机肥配施，研究不同处理条件下甘薯叶片叶绿素荧光参数、光合特性、抗氧化系统以以及产量构成因素的变化特点，以期为甘薯连作田有机肥的合理施入提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于河南省商丘市梁园区双八镇朱庄村（116°37′ E，39°93′ N），平均海拔53 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候。该区域年平均温度14.2 ℃，年平均降水量675 mm，无霜期约212 d，年平均日照时数2 200 h。土壤类型为黄潮土黏土质，耕层土壤（0～20 cm）基础速效养分含量为：碱解氮 54.69 mg/kg，速效磷37.68 mg/kg，速效钾 123.37 mg/kg，pH值8.02。

1.2 供试材料

供试甘薯品种为商薯18，由商丘市农林科学院生物研究所育种；供试小麦为商麦167，由商丘市农林科学院国家农作物区试站育种；供试化肥养分含量（N、P₂O₅、K₂O含量分别为10%、10%、20%），由河南亿丰年生物科技有限公司生產；供试缓控释肥养分含量（N、P₂O₅、K₂O含量分别为18%、9%、18%），由湖北金峰农业科技有限公司生产；供试生物有机肥养分含量（有机质≥40%，黄腐酸≥12%，功能菌种为芽孢杆菌，有效活菌数≥0.5亿CFU/g），由山东泉林嘉有机肥料有限责任公司生产。

1.3 试验设计

试验于2020年6月15日至2022年10月15日进行。试验田为甘薯—小麦轮作地块，其中，甘薯季进行不同施肥处理，小麦季按照当地农民习惯种植，不进行特殊施肥处理。试验采用随机区组设计，共设6个处理，分别为：不施肥（CK）、化肥单施（SF）、缓控释肥单施（SSF）、生物有机肥单施（SBF）、1/2化肥配施1/2生物有机肥（FBF）、1/2缓控释肥配施1/2生物有机肥（SFBF），各处理重复3次，每个处理地块面积56 m²。化肥、缓控释肥和生物有机肥单施用量分别为750、750、1 200 kg/hm²，化肥、缓控释肥与生物有机肥配施处理用量均减半。各处理肥料在旋耕起垄前均作为基肥施入，生育期内不追肥。甘薯生育期为6月15日至10月17日，甘薯株行距为0.28 m×0.8 m；小麦生育期为10月20日至来年6月8日。

1.4 样品采集与测定方法

1.4.1 SPAD值、荧光参数以及光合特性测定 于2022年茎叶盛长期0、10、20、30、40 d调查甘薯叶片SPAD值。每小区选取甘薯连续10株，利用 SPAD-502 叶绿素仪测定最长蔓茎第3叶片SPAD 值。测定后使用红绳标记，用于下一次测定。并在茎叶盛长期30 d利用FMS-2 便携式脉冲调制式荧光仪测定叶绿素荧光参数，包括初始荧光（F_o）、最大荧光（F_m）、最大光化学效率（F_v/F_m）、实际光化学效率（Φ_PSⅡ）、光化学猝灭系数（q_P）和电子传递速率（ETR）6个叶绿素荧光参数；利用LI-6400 便携式光合仪测定叶片气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i）、净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）。

1.4.2 抗氧化酶活性和丙二醛含量测定 于茎叶盛长期30 d测定叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量。过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚氧化法测定；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑光化还原法测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法^［25］测定。

1.4.3 植株生长发育 分别于栽后15、30、60、90、120 d测定地下部与地上部生物量。每小区连续选取5株用于地下部薯块与地上部蔓茎生物量测定。

1.4.4 产量及构成因素测定 在甘薯收获期（2022年）进行产量及其构成因素测定。其中，每小区选取连续4行，每行20株用于鲜薯产量及商品薯率的测定；每小区选取大小均匀，无明显虫眼、病虫害薯块3个用于薯块干物率测定；每小区选取3株用于根冠比测定：根冠比=地下部生物量/地上部生物量。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2018和SPSS 19.0软件进行数据分析，利用SPSS进行单因素方差分析与相关性分析，利用Excel进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对甘薯叶片叶绿素相对含量（SPAD值）的影响

由图1可知，不同施肥处理甘薯叶片叶绿素SPAD值随着施肥时间的延长呈先升高后降低的趋势。与CK处理相比，除茎叶盛长期20 d时T3处理SPAD值无显著差异外，其他不同施肥处理SPAD值均显著提高，而不同施肥处理间也表现出明显差异。其中，茎叶盛长期0 d时，SF处理叶绿素SPAD值最高，较其他施肥处理提高4.55%～11.09%，显著高于SSF、SBF、SFBF处理。FBF处理其次，较SBF处理显著提高6.25%，与其他施肥处理均无显著性差异。10 d时，SF、SSF、FBF、SFBF处理叶绿素SPAD值较SBF处理分别显著提高8.77%、5.91%、9.61%、6.68%。其中，FBF处理叶绿素SPAD值最高，SBF处理显著最低，而SF、SSF、FBF、SFBF处理间均无显著性差异。20 d时，FBF处理叶绿素SPAD值最高，SFBF处理其次，较SBF处理分别显著提高7.76%、6.17%，与SF、SSF相比无显著性差异。30 d 时，FBF处理叶绿素SPAD值最高，较SF、SBF处理分别显著提高6.94%、5.64%，与SSF、SFBF处理相比无显著性差异，此时，SF处理叶绿素SPAD值最低。40 d时，FBF处理叶绿素SPAD值最高，较SF、SSF、SBF处理分别显著提高10.71%、5.26%、8.61%。SFBF处理其次，较SF、SBF处理分别显著提高7.56%、8.47%，与SSF、FBF处理相比均无显著性差异。

2.2 不同施肥处理对甘薯叶绿素荧光参数的影响

由表1可知，不同施肥处理条件下甘薯叶绿素荧光参数变化较大。不同施肥处理对甘薯初始荧光（F_o）、最大荧光（F_m）、光化学猝灭系数（q_P）和电子传递速率（ETR）均有显著影响，而对最大光化学效率（F_v/F_m）、实际光化学效率（PSⅡ）均无显著影响。与CK处理相比，不同施肥处理F_o、F_m、q_P、ETR、F_o/F_m、Φ_PSⅡ值均有不同程度提高。其中，FBF处理F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值均最高，F_o、F_m、q_P、ETR值较CK处理分别显著提高24.80%、37.66%、23.21%、7.86%，F_v/F_m、Φ_PSⅡ值无显著性变化，而F_o、F_m、q_P值均显著高于SF、SSF、SBF处理。SFBF处理F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值均其次，除F_m值显著低于FBF处理外，其他指标与FBF处理相比均无显著性差异。

2.3 不同施肥处理对甘薯叶片光合特性的影响

由表2可知，不同施肥处理条件下甘薯叶片气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i）、净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）均发生较大变化。与CK处理相比，不同施肥处理G_s、P_n、T_r均不同程度提高，C_i均不同程度降低。其中，SFBF处理G_s最高，较CK处理显著提高39.29%，较其他施肥处理提高2.63%～21.88%，显著高于除FBF处理外的其他施肥处理。FBF处理P_n、T_r均最高，较CK处理分别显著提高9.41%、14.09%，P_n较SBF处理显著提高6.70%，T_r较SF、SBF处理分别显著提高6.05%、8.11%。

SFBF处理P_n、T_r均次高，均显著高于CK处理，但与其他施肥处理相比均无显著性变化。FBF处理C_i最低，较CK处理显著降低11.80%，较SF、SBF处理分别显著降低5.51%、9.03%。SFBF处理C_i显著低于CK、SF、SBF处理。

2.4 不同施肥處理对甘薯叶片抗氧化系统的影响

由表3可知，不同施肥处理对叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量产生显著影响。与CK处理相比，不同施肥处理叶片过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性均显著提高，丙二醛（MDA）含量均不同程度降低。其中，FBF处理CAT、POD活性较CK处理分别显著提高40.57%、23.71%，较SF、SSF、SBF处理分别显著提高20.09%、8.59%、26.03%和10.25%、7.54%、13.74%。SFBF处理SOD活性较CK处理显著提高19.98%，较SF、SSF、SBF处理分别显著提高13.50%、5.80%、12.10%，FBF处理CAT、POD、SOD活性与SFBF处理相比均无显著性差异。SSF、SBF、FBF、SFBF处理MDA含量较CK处理分别显著降低7.04%、4.93%、9.86%、11.27%，SFBF处理最低，较SF、SBF处理显著降低7.35%、6.67%，与FBF处理相比无显著性差异。

2.5 不同施肥处理对甘薯地上部蔓茎生物量变化的影响

由表4可知，不同施肥处理条件下随着栽插时间的延长各处理甘薯地上部蔓茎生物量表现出不同的变化。随着栽插时间的延长，各处理蔓茎生物量均不同程度提高。其中，与CK处理相比，不同施肥处理蔓茎生物量均显著提高。而不同施肥处理对比发现，栽插15 d时，SF处理蔓茎生物量最高，较SSF、SBF、SFBF处理分别显著提高17.18%、20.49%、6.81%。FBF处理蔓茎生物量其次，显著高于SSF、SBF处理，而与SF、SFBF处理相比无显著性变化。栽插30 d时，SF处理蔓茎生物量仍最高，较其他施肥处理显著提高6.37%～27.44%。FBF处理蔓茎生物量其次，显著高于SSF、SBF处理，而与SF、SFBF处理相比无显著性变化。栽插60、90、120 d时，FBF处理蔓茎生物量均最高，较其他施肥处理分别显著提高12.44%～47.01%、9.05%～25.43%、6.38%～21.92%。60 d时，SBF处理蔓茎生物量最低，而随着栽插时间的延长（90、120 d时），SF处理蔓茎生物量均低于其他施肥处理。

2.6 不同施肥处理对甘薯地下部薯块质量变化的影响

由表5可知，不同施肥处理条件下随着栽插时间的延长各处理甘薯地下部薯块质量表现出不同的变化。与CK处理相比，除栽插15 d时未结薯外，不同施肥处理薯块质量均显著提高。而不同施肥处理对比发现，栽插30、60 d时，SF处理单株薯块质量均最高，较其他施肥处理分别提高14.35%～44.00%、2.70%～16.38%，显著高于除栽插60 d时FBF处理外的其他施肥处理。FBF处理单株薯块其次，30 d时显著高于SSF、SBF处理，60 d时显著高于SBF处理。栽插90、120 d时，FBF处理单株薯块质量均最高，较其他施肥处理分别提高 8.30%～41.18%、3.65%～17.58%，显著高于除栽插120 d时SFBF处理外的其他施肥处理。SFBF处理单株薯块其次，均显著高于SF、SSF、SBF处理。而不同栽插时期，SBF处理单株薯块质量均最低。

2.7 不同施肥处理对甘薯产量及构成因素的影响

由表6可知，不同施肥处理对甘薯产量及构成因素产生显著的影响。与CK处理相比，不同施肥处理鲜薯产量、商品薯率、干物率均不同程度提高，T/R值均降低。其中，FBF处理鲜薯产量最高，较其他处理提高3.26%～34.59%，显著高于除SFBF处理外的其他处理，SFBF处理鲜薯产量其次，也均显著高于CK、SF、SSF、SBF处理。SFBF处理商品薯率最高，较CK、SBF处理分别显著提高13.81%、8.23%。FBF处理其次，显著高于CK、SBF处理，而与SF、SSF、SFBF处理相比均无显著性差异。FBF处理干物率最高，较CK、SF、SBF处理分别显著提高7.30%、5.35%、6.13%。SFBF处理其次，与其他处理相比均无显著性差异。FBF、SFBF处理T/R值均最低，较CK、SF、SBF处理分别显著降低14.29%、7.69%、7.69%，与SSF处理相比无显著性差异。

2.8 指标间相关性分析

鲜薯产量与叶片生理特性的相关性分析（表7）表明：鲜薯产量与叶片光合速率呈极显著（P<0.01）正相关关系，与叶片蒸腾速率、过氧化物酶、超氧化物歧化酶呈显著（P<0.05）正相关关系，与叶片胞间CO₂浓度、丙二醛呈显著（P<0.05）负相关关系；叶片气孔导度与叶片光合速率、蒸腾速率呈极显著（P<0.01）正相关关系，与叶片过氧化氢酶呈显著（P<0.05）正相关关系，与叶片胞间CO₂浓度、丙二醛呈显著（P<0.05）负相关关系；叶片胞间CO₂浓度与叶片光合速率、蒸腾速率、过氧化氢酶呈极显著（P<0.01）负相关关系，与丙二醛呈显著（P<0.05）正相关关系；光合速率与过氧化氢酶、过氧化物酶呈显著（P<0.05）正相关关系，与丙二醛呈显著（P<0.05）负相关关系；过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶间均呈显著（P<0.05）正相关关系，而与丙二醛均呈显著（P<0.05）负相关关系。

3 讨论

叶绿素是反映植株光合作用强弱的重要生理指标，其含量的高低直接影响植株光合能力，而叶绿素荧光参数、光合参数的变化可以反映出植株光合作用变化的强度及方向^［27-28］。有研究表明，合理施肥措施有利于植株对土壤养分的吸收与利用，能够促进植株生长发育，提高光合作用能力^［21］。本研究结果显示，甘薯生长前期时，化肥单施处理叶片SPAD值最高，但随着栽插时间的延长，与对照不施肥处理或单一施肥处理相比，无机肥与有机肥配施处理的叶片SPAD值、荧光参数F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值以及光合参数G_s、P_n、T_r值均有不同程度地提高，而C_i值均降低。其中，化肥与生物有机肥配施处理表现更为突出。这与魏猛等的研究^［25］较为一致。

本研究中单施化肥处理叶片SPAD值随着栽插时间延长逐渐降低，而无机肥与有机肥配施处理叶片SPAD值逐渐升高。这是由于单施化肥处理肥效时间较短，而随着栽插时间延长，缓控释肥、生物有机肥能够持续释放肥力供植株吸收利用。其中，缓控释肥配施生物有机肥处理由于前期养分释放速率明显弱于化肥配施生物有机肥处理，使得植株生长发育受到明显影响。而化肥配施生物有机肥处理不仅能够在甘薯前、中、后期均能持续保障养分的供应，还能够为微生物活动提供丰富的营养，提高微生物代谢活动，促进难溶养分分解，提高土壤养分供应能力和作物吸收利用能力，延缓植株叶片衰老，进而促进作物生长发育。光合参数G_s、P_n、T_r值的提高表明无机肥与有机肥配施能够明显提高植株叶片光合作用。叶绿素F_v/F_m和Φ_PSⅡ值上升表明无机肥与有机肥配施能够提高光能利用能力，而q_P、ETR值的提高表明植株叶片能够通过光合作用促进光合产物的合成^［29］。本研究中无机肥与有机肥配施处理地上部与地下部生物量随着栽插时间延长而逐渐增加，以及鲜薯产量的提高和T/R值的降低，说明无机肥与有机肥配施在提高光合作用的同时，能够促使产生较多的光合产物向地下部运输。

植物中活性氧的产生与消除始终保持在某种动态平衡中，当植株受到逆境胁迫时，植物体内会产生大量活性氧，使得丙二醛含量增加，而此时体内的抗氧化活性酶会迅速提高酶活性用于消除多余的活性氧，减轻活性氧对膜质过氧化的伤害^［13］。本研究中，与对照不施肥处理或单一施肥处理相比，化肥或缓控释肥减量配施生物有机肥处理能够提高甘薯植株叶片CAT、POD、SOD活性，降低MDA含量。说明无机肥与有机肥配施在合理分配养分释放的同时，能够促使植株对土壤的养分吸收与利用，延长植株叶片的持绿时间，防止叶片早衰，保障叶片的光合作用时间，进而提高甘薯植株生长发育。相关性分析表明，鲜薯产量与植株叶片光合特性以及抗氧化系统指标具有顯著的相关性。说明无机肥与有机肥配施在持续提供养分的同时，能够改善土壤微生态环境，提升植株养分利用效率、植株生理特性以及抗逆境能力，进而提高甘薯产量。

4 结论

与不施肥或单一施肥处理相比，化肥、缓控释肥减量与生物有机肥配施能够提高茎叶生长后期甘薯叶片SPAD值、叶绿素荧光参数F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值以及光合作用能力；提升甘薯叶片抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，增强叶片持绿性，延缓叶片衰老；提高鲜薯产量、商品率以及干物率，降低T/R值。其中，化肥减量配施生物有机肥处理表现较好。

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